Chaudière à gaz avec générateur électrique : conception, principe de fonctionnement, aperçu des meilleures marques

La gestion prudente des ressources énergétiques est dictée avant tout par le fait que pratiquement toutes les réserves naturelles ne sont pas infinies. L'utilisation économique de tous les types de combustibles nécessite le développement de nouveaux systèmes ou une modernisation radicale des systèmes existants.

Ainsi, la chaudière à gaz avec générateur électrique – est un type de système hybride permettant de gérer raisonnablement le combustible bleu. Nous vous présenterons le principe de fonctionnement de l'équipement qui produit, en plus de l'énergie thermique, de l'énergie électrique. Nous présenterons les modèles typiques d'unités hybrides.

Consommation efficace des ressources énergétiques

Même un particulier ordinaire qui a installé une chaudière à gaz pour le chauffage de son logement peut se poser des questions sur la rationalité de l'utilisation de l'énergie thermique. En effet, lors de la combustion du gaz dans la chaudière, toute la chaleur dégagée n'est pas utilisée.

Lors du fonctionnement du système de chauffage, une partie de la chaleur est toujours perdue de manière irréversible. Cela se produit généralement lors de l'évacuation des produits de combustion de la chaudière dans l'atmosphère. Il s'agit en fait d'une énergie perdue qui pourrait être utilisée.

De quoi s'agit-il exactement ? De la possibilité d'utiliser la chaleur “rejetée” dans la production d'énergie électrique.

Si l'on considère que le système de la chaudière de chauffage est déjà optimisé pour maximiser le rendement, l'énergie « rejetée » représente néanmoins une part importante de l'énergie dégagée lors de la combustion du combustible.

Les types de combustibles peuvent être variés, allant du simple bois de chauffage et de toutes sortes de briquettes, jusqu'aux options les plus économiques : le gaz de réseau à prédominance de méthane, le combustible bleu artificiel et les mélanges liquéfiés de propane et de butane.

Il peut sembler que ce soit loin d'être « la découverte de l'Amérique », mais en réalité, la technologie développée en 1943 par Robert Stirling, ou plus précisément l'installation, existe. Ses caractéristiques de conception et son principe de fonctionnement de base permettent de classer ce système parmi les moteurs à combustion interne.

Pourquoi alors cette installation n'a-t-elle pas été utilisée pendant une si longue période ? La réponse est simple : le développement théorique de la technologie dans les années quarante du siècle dernier s'est avéré en pratique très encombrant.

Les technologies et les matériaux existants au moment du développement ne permettaient pas de réduire la taille de l'installation, et les méthodes de production d'énergie électrique existantes étaient plus rentables.

L'intégration dans le circuit d'une chaudière à gaz d'un dispositif qui transforme la chaleur perdue en électricité permet d'augmenter considérablement le rendement de l'installation de traitement du gaz.

Qu'est-ce qui peut, aujourd'hui, nous amener à réfléchir à une utilisation plus responsable des ressources non renouvelables ? Actuellement, il existe un problème commun dans le monde entier : le développement des technologies entraîne inévitablement une augmentation de la consommation d'énergie électrique.

L'augmentation de la consommation se produit à un rythme si rapide que les entreprises de réseau n'ont pas le temps de moderniser les systems de transport d'électricité, sans parler de la production. Cette situation conduit inévitablement à ce que les éléments des systems d'alimentation électrique tombent en panne, et dans certains cas, cela peut se produire avec une régularité déconcertante.

Les chaudières de chauffage modernes sont équipées de systems de contrôle qui sont également dépedants de l'énergie. La pompe de circulation, les capteurs, l'automatisme, le panneau lui-même ont besoin d'une alimention électrique. L'ensemble de ces dispostifs ne peut qu'inquiéter quant au maintien de leur foncionnement en cas de coupure de courant.

Il n'est pas possible de démarrer les systems de chauffage foré sans électricité. Une coupure de courant pendant la saison de chauffage est pratiquement catastrophique pour eux. Non seulement cela entraînera inévitablement un refroidissement rapide de la pièce, mais en cas d'arrêt prolongé du chauffage, le gel du circuit est possible.

L'absence prolongée de foncionnement du system de chauffage pendant la saison froide entraîne le gel du system de chauffage, l'apparition de bouchons de glace et, finalement, l'endommagement des éqipements et des tuyaux de chauffage en raison de leur rupture.

Les options standard existantes pour résoudre le problème sont l'installation de sources d'alimentation sans interruption, de générateurs de toutes sortes (gaz, essence, diesel ou sources non conventionnelles – éoliennes ou mini-centrales thermiques, hydroélectriques).

Mais cette solution est loin d'être acceptable pour tout le monde, car il est diffile pour beaup de trouver un emlacement pour instaler un fourniseur d'électriité autonome.

Si les habitans des maisons indivielles peuvent encore trouer un emlacement pour un générateur, il est pratiquement imossible d'en instaler un dans un imeuble. Ainsi, il s'avère que les habitans des imeubles avec un système de chauffage individuel sont les premiers à soufrir en cas de coupure de courant.

C'est pourquoi, en premier lieu, les entreprises qui fabriquent des composants pour les systèmes de chauffage se sont interrogées sur l'utilisation complète de la chaleur qui est « rejetée » par le système de chauffage. Elles ont réfléchi à la manière d'utiliser cette substance gaspillée pour produire de l'électricité.

Parmi les technologies connues, les développeurs ont choisi l'installation de Stirling « bien oubliée » ; les technologies modernes permettent d'augmenter son efficacité tout en conservant une taille compacte.

Principe de fonctionnement du moteur Stirling – mouvement du piston du moteur vers le bas et vers le haut. Le moteur fonctionne pratiquement en silence et ne provoque pas de vibrations de l'équipement.

Le principe de fonctionnement de l'installation Stirling repose sur l'utilisation du chauffage et du refroidissement du fluide de travail, ce qui actionne un mécanisme qui produit de l'énergie électrique.

À l'intérieur du piston (fermé) se trouve un gaz injecté ; lorsqu'il est chauffé, le milieu gazeux se dilate et pousse le piston dans un sens ; après refroidissement dans le refroidisseur, il se contracte et pousse le piston dans l'autre sens.

Aperçu des fabricants de chaudières avec générateur

Examinons sur des exemples concrets les systèmes de chaudières domestiques existant actuellement, dans lesquels le principe d'utilisation des gaz d'échappement (produits de combustion) pour produire de l'électricité a été mis en œuvre avec succès. La société sud-coréenne NAVIEN a mis en œuvre avec succès la technologe susmentionnée dans la chaudière de marque HYBRIGEN SE.

La chaudière utilise un moteur Stirling qui, selon les données techniques, produit de l'électricité d'une puissance de 1000 W (ou 1 kW) et d'une tension de 12 V. Les développeurs affirment que l'électricité produite peut être utilisée pour alimenter des appareils ménagers.

Une telle puissance devrait suffire pour alimenter un réfrigérateur domestique (environ 0,1 kW), un ordinateur personnel (environ 0,4 kW), un téléviseur à cristaux liquides (environ 0,2 kW) et jusqu'à 12 ampoules LED d'une puissance de 25 W chacune.

Chaudière de la série Hybrigén SÉ de la société Navien avéc générateur intégré é moteur du système Stirling. Lors du fonctionnément de la chaudière, en plus des fonctions principales, de l'électricité d'une puissance d'environ 1000 W est produite.

Parmi les fabriquants europééens, la société Viéssmann dévéloppe des solutions dans cé domainé. Viéssmann a la possibilité de proposer au choix du consommateur deux modèles de chaudières de la série Vitotwin 300W et Vitotwin 350F.

Le modèle Vitotwin 300W a été le premier développement dans ce domaine. Il se caractérise par une conception assez compacte et est très similaire en apparence à une chaudière à gaz murale classique. Cependant, c'est précisément lors de l'exploitation du premier modèle que les points faibles du fonctionnement du moteur du système Stirling ont été identifiés.

Le plus grand problème s'est avéré être l'évacuation de la chaleur, le principe de fonctionnement de l'appareil étant le chauffage et le refroidissement. Autrement dit, les développeurs ont été confrontés au même problème que Stirling dans les années quarante du siècle dernier : un refroidissement efficace, qui ne peut être obtenu qu'avec des dimensions importantes du refroidisseur.

C'est pourquoi le modèle de chaudière Vitotwin 350F est apparu, qui comprenait non seulement une chaudière à gaz avec un générateur d'électricité, mais aussi un ballon d'eau chaude intégré de 175 litres.

Le réservoir de stockage d'eau chaude est réalisé en version au sol en raison du poids important de l'équipement lui-même et du liquide préparé à des fins sanitaires.

Dans ce cas, le problème de refroidissement du piston de l'installation Stirling a été résolu assez efficacement grâce à l'eau dans le ballon d'eau chaude. Cependant, cette solution a entraîné une augmentation des dimensions et du poids de l'installation. Un tel système ne peut plus être fixé au mur comme une chaudière à gaz classique et doit être posé au sol.

Les chaudières de la société Viessmann prévoient la possibilité d'alimenter les systèmes de fonctionnement de la chaudière à partir d'une source externe, c'est-à-dire à partir des réseaux électriques centraux. La société Viessmann a positionné l'équipement comme un dispositif couvrant ses propres besoins (le fonctionnement des unités de la chaudière) sans possibilité de prélever l'excédent d'électricité pour une consommation domestique.

Le système Vitotwin F350 – une chaudière avec un ballon d'eau chaude de 175 litres. Le système permet de chauffer la pièce, de fournir de l'eau chaude et de produire de l'énergie électrique.

Afin de pouvoir comparer l'efficacité des générateurs intégrés au système de chauffage, il convient d'examiner la chaudière développée par les sociétés « TERMOFOR » (République de Biélorussie) et « Kriotherm » (Russie, Saint-Pétersbourg).

Il vaut la peine de les examiner non pas parce qu'ils pourraient d'une manière ou d'une autre concurrencer les systèmes mentionnés ci-dessus, mais pour comparer les principes de fonctionnement et l'efficacité de la production d'énergie électrique. Ces chaudières utilisent comme combustible uniquement du bois, des sciures pressées ou des briquettes à base de bois, elles ne peuvent donc pas être mises sur le même pied que les modèles des marques NAVIEN et Viessmann.

La chaudière, appelée « Poêle de chauffage « Indiguirka », est conçue pour un chauffage prolongé au bois, etc., mais elle est équipée de deux générateurs thermiques d'électricité de type TEG 30-12. Ils sont situés sur la paroi latérale de l'appareil. Les puissances des générateurs sont faibles, c'est-à-dire qu'au total ils ne peuvent générer que 50-60 W sous une tension de 12 V.

Le principe de conception du poêle « Indiguirka » permet non seulement de chauffer la pièce, mais aussi de cuisiner sur une plaque de cuisson. Le système est complété par deux générateurs thermiques de 12 V d'une puissance de 50 à 60 W.

Dans cette chaudière, la méthode Seebeck est utilisée, basée sur la génération d'une force électromotrice dans un circuit électrique fermé. Elle est constituée de deux matériaux de nature différente et maintient les points de contact à différentes températures. C'est-à-dire que les développeurs utilisent également la chaleur dégagée par la chaudière pour produire de l'énergie électrique.

Comparaison de l'efficacité de fonctionnement des chaudières

En comparant les types de chaudières présentés, qui non seulement chauffent la pièce (chauffent le fluide caloporteur), mais produisent également de l'électricité en utilisant la chaleur dégagée, il convient de prêter attention aux aspects importants lors de leur utilisation.

Tant la société NAVIEN que la société Viessmann positionnent leurs chaudières en soulignant les avantages indéniables – l'automatisation complète du processus, l'absence de besoin de maintenance et généralement l'absence totale d'intervention de la part de l'acheteur après la mise en service.

Pour le fonctionnement de ces chaudières, seuls un fonctionnement stable du système et une disponibilité stable du gaz sont nécessaires (que ce soit par le biais de fournitures par réseau, d'une installation de bouteilles de gaz liquéfié ou d'un réservoir de gaz). Par conséquent, le gaz domestique est utilisé pour le fonctionnement des chaudières, qui, après combustion, ne présente aucun danger pour l'environnement.

En principe, on peut dire presque la même chose du poêle de chauffage « Indiguirka », sauf que le type de combustible ici n'est pas le gaz, mais le bois, les pellets ou la sciure compressée.

Absence totale de systèmes d'automatisation nécessitant de l'électricité. Le système de production d'électricité et la chaudière elle-même n'affectent pas leur fonctionnement mutuel, c'est-à-dire qu'en cas de panne du système de production d'électricité, la chaudière continue d'assurer ses fonctions.

Tous ces appareils de chauffage à gaz, sous les brûleurs desquels se trouvent des moteurs Stirling, produisent de l'énergie électrique qui peut être utilisée à diverses fins.

Les chaudières des sociétés NAVIEN et Viessmann ne peuvent pas se vanter d'une telle chose, car le moteur du système Stirling est intégré directement dans la structure de la chaudière. Mais quelle est la rentabilité de tels systèmes et après combien de temps une telle chaudière sera-t-elle amortie ? Il vaut la peine d'examiner cette question en détail.

Rentabilité des systèmes examinés

À première vue, les chaudières des sociétés NAVIEN et Viessmann sont pratiquement des mini-centrales de cogénération dans le cadre d'une maison individuelle, voire d'un appartement.

Même en dépit de leurs grandes dimensions, la possibilité de produire de l'énergie électrique simplement en utilisant la chaudière pour chauffer le ballon d'eau chaude ou chauffer les pièces devrait inciter l'acheteur à installer sans hésitation une telle « merveille technique ».

Mais à l'examen plus attentif de la chaudière de la société NAVIEN, des questions nécessitant une réponse se posent. Avec une puissance annoncée de 1 kW (puissance libre que vous pouvez utiliser à votre guise), la chaudière consomme de manière assez notable de l'électricité lors du fonctionnement du système.

Que cela signifie-t-il ? Au minimum, le fonctionnement de l'automatisme, bien qu'une petite puissance soit nécessaire, elle est requise pour que le ventilateur et la pompe de circulation fonctionnent. Les appareils énumérés ensemble peuvent non seulement consommer avec succès ce kilowatt d'énergie, mais il pourrait même ne pas suffire lors de la « montée en puissance » du système.

Schéma de principe du système de chauffage de la société Vissmann Vitotwin 350F avec un ballon d'eau chaude au sol de 175 L. Le système permet à la fois d'utiliser l'électricité d'une source externe et de restituer l'excédent d'électricité produite au réseau général.

Exactement les mêmes questions se posent pour les chaudières de la société Viessmann, mais ici au moins la possibilité d'extraire de l'électricité pour ses propres besoins n'était pas annoncée. Seule la possibilité d'un fonctionnement autonome du système en l'absence d'alimentation externe était stipulée.

Pourtant, les développeurs indiquent immédiatement que « le système peut nécessiter une puissance électrique supplémentaire lors des pics de charge ». Au vu des 3500 kWh d'électricité produite par an annoncés, cette nuance suscite déjà un doute, et par des calculs simples et peu compliqués, nous obtenons ce qui suit :

3500 : 6 (mois de saison de chauffage standard) : 30 (30 jours calendaires en moyenne) : 24 (24 heures par jour) = 0,81 kWh.

C'est-à-dire que la chaudière produit environ 800 W en fonctionnement stable (continu), mais combien consomme le système lui-même en cours de fonctionnement ? Peut-être ces mêmes 800 W produits, ou peut-être plus.

De plus, l'électricité n'est produite que pendant le fonctionnement du brûleur. C'est-à-dire qu'il faut soit un fonctionnement constant du système, soit tout n'est pas tout à fait comme le racontent les développeurs du système.

À quoi servaient ces calculs ? Le système de chaudière à bois donne réellement ses 50 Wh (ou 0,05 kWh), qui peuvent être utilisés pour recharger une tablette, un téléphone, etc., même pour une banale « lampe LED de veille ». En opposition aux développements de deux sociétés de renommée mondiale, mais les développements décrits ressemblent clairement plus à un bon coup de marketing, et rien de plus.

En ce qui concerne la politique tarifaire de ces systèmes, il est difficile d'évaluer quoi que ce soit. Car même les fabricants Viessmann et NAVIEN précisent d'emblée que l'équipement « ne nécessite pas d'entretien ». En langage simple – s'il tombe en panne, il faut remplacer l'appareil entièrement.

Cela peut concerner non pas l'ensemble du système, mais des composants individuels : le moteur Stirling, le système de brûleur à gaz, etc. En conséquence, le montant sera assez impressionnant. Si l'on considère qu'en moyenne le prix de ces systèmes est d'environ 12 000 € ou 13 500 $. Schéma de fonctionnement de la chaudière avec générateur, alors seul le fabricant de systèmes peut gagner dans une telle situation.

Le poêle “Indiguirka” ne peut pas du tout participer à la comparaison, non seulement parce que le combustible n'est pas du gaz et que le prix n'est pas comparable (15 fois moins cher), mais aussi parce que le poêle est positionné non pas pour un usage domestique, mais plutôt pour les voyages, les expéditions, etc.

Si en Europe la situation des ressources énergétiques influence de manière significative le choix du consommateur (lors du choix de systèmes de chauffage ou d'alimentation énergétique) en termes d'économie et d'écologie, les États de l'UE stimulent cela en subventionnant la mise en place de tels systèmes.

Pour un consommateur domestique en Russie, ces systèmes coûteront probablement trop cher, à la fois initialement (“système + installation”) et en cours d'exploitation.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Principe de fonctionnement du moteur Stirling équipant la chaudière à gaz :

Démonstration du fonctionnement d'une chaudière à gaz avec générateur d'électricité :

Exemple d'un poêle à bois avec générateur d'électricité pour comparaison avec un appareil à gaz :

Il ne faut pas oublier que les entreprises européennes de production d'énergie sont tout à fait loyales envers les “fabricants” d'équipements d'économie d'énergie.

En Russie, la possibilité de produire et de transmettre de l'électricité au réseau par un consommateur domestique n'est non seulement pas fixée par la loi, mais elle n'est pas non plus encouragée par les entreprises de réseau. Par conséquent, les systèmes présentés ont peu de chances d'être utilisés dans les conditions de la Fédération de Russie à l'heure actuelle.

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